第 2 章 硫酸新霉素对厌氧消化的抑制影响研究
经水质分析发现硫酸新霉素废水中抗生素残留浓度为 550~600mg·L-1。高浓度的抗生素残留可能会对厌氧微生物产生影响，为考察硫酸新霉素对厌氧微生物活性的抑制情况，开展了产甲烷毒性试验，为厌氧处理硫酸新霉素废水的可行性提供重要的依据。
2.1 试验材料与方法。
（1）试验材料。
①试验用水，营养液：取适量葡萄糖、KH2PO4和尿素，制成 COD 浓度为 6g·L-1的溶液，碳氮磷的比例控制在 200:5:1 左右，并用碳酸钠把 pH 调到 7.5。硫酸新霉素标准储备液：准确称取硫酸新霉素标准品 0.7598g 于烧杯中，用超纯水溶解，定容于 50mL 容量瓶中，摇匀，得到 10g·L-1的标准储备液。试验用水：将营养液与硫酸新霉素储备液混合配制成硫酸新霉素浓度为 0、300、600、900 和 1 200mg·L-1的硫酸新霉素模拟废水。
②试验污泥，厌氧颗粒污泥：取自实验室小型 UASB 反应器，在 1L 的锥形瓶内用营养液进行三个星期的间歇培养，试验前接种污泥 VSS/TS=0.68。
③其他材料，硼酸缓冲液：用 10mol·L-1的 KOH 将 0.2mol·L-1的硼酸溶液调 pH 到 10.5。邻苯二甲醛（OPA）衍生化试剂：将 OPA 溶解在硼酸缓冲液中，浓度为 0.1%（质量/体积），再加入 1%（体积比）巯基乙醇，混匀，于冰箱避光放置。
（2）试验试剂。
试验试剂见表 2-1。
（3）试验装置。
产甲烷毒性试验装置见图 2-1。试验装置为全自动甲烷潜力测试系统（AMPTSII）（由碧普华瑞环境技术有限公司研发生产）。该系统分为 UNITA（发酵单元），UNITB（酸性气体吸附单元），UNITC（甲烷气体计量单元）三个部分。UNITA 中的每个发酵瓶配有可调转速及搅拌频率的机械搅拌系统；UNTIB 与发酵瓶对应的吸收瓶，配有 3mol·L-1氢氧化钠溶液以吸附沼气中的酸性气体，UNTIC 为甲烷气体计量系统，内置模型和算法结合温度、压力传感器弱化了水蒸气和发酵瓶中高估气体的量对实际产甲烷量的影响，最终记录的甲烷气体数值为转换后的标准状况下（0℃，101.3kPa）的体积。实验温度为 35℃。
其他试验仪器见表 2-2。
（4）分析项目及方法。
分析项目及方法见表 2-3。
硫酸新霉素效价的具体测定方法如下：
①硫酸新霉素废水预处理 取出水经快速滤纸过滤后，用 6mol·L-1的 H2SO4调pH 至 2.0，5000r·min-1离心 10min。取上清液进行衍生化反应。
②衍生化反应 准备好相应数量的 1.5mL 离心管，用移液管移取 0.2mL 样品放入其中，然后加入 0.2mL 的衍生化试剂。避光条件下、在三十摄氏度水浴加热十分钟。反应完成后，在通风橱下，加入 0.8mL 异丙醇。
③高效液相分析 用超纯水代进行上述操作，作为空白实验。最后在排气泡之前，使用 0.45μm 滤膜过滤。在表 2-4 所示的色谱条件下进行高效液相分析。
2.2 试验方法。
采用全自动甲烷潜力测试系统，1 号发酵瓶为对照试验，加入 150mL 蒸馏水，2号~5 号发酵瓶加入 150mL 的不同浓度的硫酸新霉素废水，1~5号发酵瓶中加入 50mL厌氧颗粒污泥，初始水质见表 2-5。进行间歇培养试验，每 10min 读取产甲烷量。待产气停止后，从发酵瓶中取混合液测定混合液 VSS 和 pH 值。用快速滤纸过滤混合液取清液测定 COD，并采用 OPA 衍生化-高效液相法对出水的硫酸新霉素浓度进行测定。
2.3 结果与讨论。
2.3.1 厌氧消化的产甲烷情况。
通过 AMPTS 全自动甲烷潜力测试系统得到 1 号~5 号发酵瓶的产甲烷气量变化情况，见图 2-2。
由图 2-2 可以看出，1~5 号发酵瓶产甲烷气体情况有明显差别。从各发酵瓶产气的趋势来看，1 号发酵瓶在试验开始的 600min 内产甲烷速率较快，此后产甲烷速率有所减缓，直至 1 100min 时，产气停止；2~4 号瓶产甲烷的变化趋势较为接近，在500min 后产甲烷速率减缓，停止产气时间分别为 1 100min、1 000min 和 1 100min；5 号发酵瓶在试验开始的 350min 内产甲烷速率较快，之后产气速率明显减慢，在 1000min 时停止产气。可以定性认为污泥的产甲烷潜力及产甲烷速率均随着硫酸新霉素浓度的增加而逐渐下降，而且随着硫酸新霉素浓度的增加，对污泥的产甲烷能力抑制效果越明显。
为更清楚表示硫酸新霉素对厌氧消化的抑制程度用累积产甲烷量结合相对活性（RelativeActivity，RA）来判断硫酸新霉素对厌氧消化的抑制影响[53]。即以间歇式厌氧消化的累积产甲烷量间接反应消化系统所受毒物的抑制程度，以 RA 的比较来判断抑制程度（即有毒物的毒性）的大小（RA 为 75%～95%表示轻度抑制；RA 为40%～75%表示中度抑制；RA<40%表示重度抑制）。甲烷累积产量及相对活性见图2-3。
如图 2-3 所示，反应结束时 1 号~5 号发酵瓶所产甲烷气体分别为 205.8mL、192.5mL、185.4mL、176.6mL 和 144.9mL。与 1 号发酵瓶相比，2 号~5 号发酵瓶产甲烷体积分别减少了 6.5%、9.9%、14.2%和 29.7%。2~5 号发酵瓶的 RA 分别为 93%、90%、85%和 70%。由此可认为，废水中硫酸新霉素浓度为 300mg·L-1~900mg·L-1时，对厌氧消化产生轻度抑制作用，当硫酸新霉素浓度为 1 200mg·L-1时，对厌氧消化产生中度抑制作用。
2.3.2 反应前后消化液的变化情况。
反应前后 pH 及 COD 的变化如表 2-5 所示。
由表 2-5 可见中，随着硫酸新霉素浓度的增加，pH 值变化更为明显。1 号发酵瓶的消化过程属正常，2~4 号发酵瓶 pH 虽有所降低但仍在产甲烷菌（MPB）最适 pH范围内，体系的 pH 值仍满足产甲烷过程。5 号发酵瓶 pH 值下降幅度最大，pH 至6.78。pH 值降低说明有多余的挥发性脂肪酸（VFA）累积，由于培养液用 NaCO3进行了 pH 值调整，体系碱度较大，体系的缓冲能力较强。所以反应过程中发酵瓶内的pH 值仍在 6.7~7.0 之间。
1~5 号发酵瓶 COD 去除率与 pH 值的变化趋势相对应，随着硫酸新霉素浓度的增加依次下降。在硫酸新霉素浓度低于 900mg·L-1时，COD 去除率保持在 80%以上，而在硫酸新霉素浓度在 1200mg·L-1时，COD 去除率下降至在 68%。说明硫酸新霉素浓度在 1200mg·L-1时对 COD 的去除有较大影响。
2.3.3 硫酸新霉素与最大比产甲烷速率的关系。
目前，常用厌氧污泥的最大比产甲烷速率（Umax·CH4）作为评价污泥产甲烷活性的指标[54]。其定义为每克 VSS（间接代表厌氧微生物量）厌氧污泥每日的最大甲烷产量，单位为 mLCH4/（gVSS·d）。
根据 Monod 方程结合实际问题可推导出最大产甲烷速率近似计算式为：
42max CHR 124 kTUX V T×= ××（2-1）式中 k——累积甲烷产量－时间曲线上直线段的斜率（mLCH4·h-1）；X——间歇培养瓶内的平均 VSS 浓度（g·L-1）；VR——间歇培养瓶反应区容积（L）；T1——室温（K）；T2——273K。
1~5 号发酵瓶的最大比产甲烷速率及相对活性如表 2-6 所示。
从表 2-6 可以看出，硫酸新霉素的投加对 1~5 号发酵瓶的产甲烷活性都产生了影响，且硫酸新霉素浓度越高，对厌氧污泥的产甲烷活性抑制作用越强。当硫酸新霉素浓度为 300~900mg·L-1时，对产甲烷过程有轻度抑制；当硫酸新霉素浓度为 1200mg·L-1时，对产甲烷过程有中度抑制。
2.3.4 硫酸新霉素的去除情况。
采用 OPA 柱前衍生化-高效液相色谱法测定出水硫酸新霉素含量，数据见表 2-7。
2 号和 3 号发酵瓶中的硫酸新霉素残留量低于检出下限，所以认为出水中的硫酸新霉被完全去除。4 号和 5 号发酵瓶中硫酸新霉素去除率高达 99%以上。原因可能有两个各方面，一是微生物能降解去除掉一部分硫酸新霉素；另一方面，是因为厌氧颗粒污泥具有一定的吸附能力，吸附了废水中剩余的硫酸新霉素，使废水中硫酸新霉素得以去除。
2.4 本章小结。
通过以葡萄糖为基质的间歇厌氧消化实验，通过测定不同硫酸新霉素浓度发酵瓶的产甲烷气量，分析了硫酸新霉素对厌氧消化的抑制情况。结果发现：与空白发酵瓶相比，硫酸新霉素浓度为 300mg·L-1、600mg·L-1、900mg·L-1和 1200mg·L-1产气速率均有所减缓且产气停止时产甲烷体积分别减少了 6.5%、9.9%、14.2%和 29.7%。在硫酸新霉素浓度在 900mg·L-1以下时，COD 去除率保持在 80%以上，而在硫酸新霉素浓度在 1 200mg·L-1时，COD 去除率下降至在 68%。说明硫酸新霉素浓度在 1200mg·L-1时对 COD 的去除有较大影响。
